Mn基反钙钛矿氮化物的磁性与电输运性研究

发布时间：2018-08-24 10:07

【摘要】：Mn基反钙钛矿氮化物因具有多重磁性转变、近零电阻温度系数、负热膨胀等奇特的物理性能一直受到材料科学家与凝聚态物理学家的关注,其中许多是强关联材料体系,即材料的磁性、电输运性以及晶体结构之间存在非常紧密的内在联系,某个物理性能发生变化会使另外两个物理性能也随之发生变化。因此研究Mn基反钙钛矿氮化物的物理性能,尤其是研究其磁性的变化与起源对于理解此类材料许多奇特物理性能的机理是非常重要的。本论文选取Mn基反钙钛矿氮化物中的Mn3Cu N与Mn3Ga N作为研究对象,利用固相反应法首次制备了稀土Gd掺杂、非化学计量比以及金属Ga掺杂的Mn基反钙钛矿氮化物,不仅显著地改变了材料的磁性与电输运性等物理性能,还系统研究了它们的变化规律及其物理机理。在Mn3Cu N中掺杂镧系稀土金属元素Gd使材料出现两次磁相变,在外加磁场下出现相分离。Mn3Cu1-x Gdx N在降温过程中首先经历高温的顺磁-铁磁相变,这是由Gd原子间的铁磁交换引起的。继续降温Mn3Cu1-x GdxN发生铁磁-反铁磁相变,这个过程显示出材料的本征磁相变,晶胞中上下底面的Mn原子磁矩按照铁磁有序排列,与顶角位置的Gd原子磁矩按照反铁磁有序排列。随着Gd掺杂量增加高温磁相变向高温移动而低温磁相变向低温移动,中间的铁磁性温区逐渐展宽,由46K展宽至140K。等温磁化曲线在快速扫描磁场下出现磁台阶即分布磁化现象,这是由快速扫描磁场诱导的相分离引起的,磁性弛豫与等温磁阻表明Mn3Cu1-x Gdx N在低温下处于磁性亚稳态。变温X射线衍射表明Mn3Cu1-x GdxN的晶体结构相变与低温磁相变一致,随掺杂量增加逐渐向低温移动,这说明Gd原子的引入抑制了材料的本征相变。掺杂Gd原子使原来存在于高温段的近零电阻温度系数逐渐消失,而在低温区显示出明显的近零电阻温度系数。在Mn3Ga N中制造非化学计量比使材料转变为高温铁磁性。在Ga位与N位按照1:1比例制造化学成分缺失后,Mn3Gax Nx由无成分缺失时的反铁磁性转变为非化学计量比的高温铁磁性,随着化学成分缺失的增多Mn3Gax Nx的居里温度逐渐升高。当x=0.7时居里温度为395K,x=0.6时居里温度略微降低至390K,x=0.5时居里温度升高至424K。变温中子衍射及其晶体结构精修表明Mn3Gax Nx具有与M-1类似的磁结构,磁单胞中上下底面的Mn原子磁矩按照铁磁有序排列,它与顶角位置的Mn原子磁矩按照亚铁磁有序排列。第一性原理计算表明Mn3Gax Nx的交换积分J0,说明材料具有铁磁性,磁性来源于Mn原子的d轨道电子。根据计算结果,三个非化学计量比的交换积分J的大小关系为J0.5J0.7J0.6,与磁性测试结果一致。电输运性测试结果显示非化学计量比的Mn3Gax Nx在300K以下为金属导电性,但是在低温下存在一个电阻极小值,通过电阻参数拟合可知近藤散射机制与电子-电子散射机制是引起这个极小值的主要原因。在Mn3Cu N中掺杂过渡金属元素Ga使材料在低温下处于自旋玻璃态。随温度降低Mn3Cu1-x Gax N在冻结温度发生自旋冻结现象,当x=0.3时材料的冻结温度为113 K,随Ga掺杂量增加冻结温度逐渐向低温移动,当x达到0.9时冻结温度降低至86 K,此外Ga掺杂量的增加还使Mn3Cu1-x Gax N的磁矩值明显降低。对于x=0.3的样品,增加磁场强度能够使冻结温度向低温移动,说明外加磁场对Mn3Cu1-x Gax N的自旋玻璃态具有破坏作用。分析认为Mn3Cu1-x Gax N在低温下的自旋玻璃行为是由Ga原子在Cu位的随机占位引起的原子无序排列以及晶格中铁磁交换与反铁磁交换引起的磁受挫之间相互竞争引起的。在Mn基反钙钛矿氮化物的A位掺杂具有不同电子结构的原子或制造非化学计量比能够有效地改变材料的本征物性。基于我们的实验结果,从晶格结构与自旋磁性的角度分析了Mn基反钙钛矿氮化物的物性变化规律,从理论上解释了掺杂或非化学计量比对材料物性改变的物理机理。
[Abstract]:......
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TB303

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本文编号：2200485